История микробиологии Морфология и цитология микроорганизмов Антони

История микробиологии. Морфология и цитология микроорганизмов

Антони ван Левенгук (1632 -1723)

Луи Пастер (1822 -1895) Louis Pasteur (1822 -1895)

Роберт Кох (1843 -1910)

И. И. Мечников (1845 -1916)

Наибольшее признание среди микробиологов получила классификация микроорганизмов, которая дана в Определителе бактерий Д. Берги (Bergey’s Manual Systematic Bacteriology)

Основной таксономической категорией является вид - группа близких между собой организмов, которые имеют общее происхождение, единственный генотип, подобные морфологические, физиологичные, биохимические, серологические, экологические и другие признаки.

В соответствии с Международным кодексом номенклатуры бактерий микробиологи используют такие таксономические критерии систематики: вид род - семейство - порядок - класс - отдел (phylum) – царство - домен

Генетические механизмы, которые лежат в основе изменчивости, способны обеспечивать только относительную стабильность признаков в пределах одного вида, потому введено понятие о вариантах (типы) бактерий, которые по некоторыми особенностям отличаются от стандартных видов: морфовары (по морфологическим признакам) биовары (по биологическим) ферментовары (по ферментативным) фаговары (по чувствительности к бактериофагам), серовар (по антигенными свойствам) эковары (по экологическим нишам) патовары (по патогенности для лабораторных животных).

МОРФОЛОГИЯ БАКТЕРИАЛЬНЫХ КЛЕТОК Микрококки(Micrococcus). ( M. roseus, M. luteus, etc. ).

Диплококки Neisseria meningitidis Neisseria gonorrhoeae Pneumococcus

Стрептококки Streptococcus lactis

Тетракокки

Стафилококки Staphylococcus aureus, epidermis

Сарцины

Спиралеподобные бактерии Вибрионы Vibrio cholerae

Спириллы. Spirillum minus

Спирохеты Borrelia hispanica, Borrelia persica

Лептоспиры. Leptospira interrogans

Трепонемы Treponema pallidum

Структура прокариотической клетки

Мезосома

Структура пептидогликана (муреина)

Клеточная стенка грамположительных бактерий

Клеточная стенка грамотрицательных бактерий

Отличия грамположительных и грамотрицательных клеток

Окраска по Граму

Капсулы Klebsiella pneumonie Bacillus anthracis Streptococcus pneumoniae

Жгутики грамотрицательных клеток филамент крюк P-кольцо L-кольцо Внешняя мембрана Пептидогликан S-кольцо M-кольцо Стержень Периплазматическое пространство ЦПМ

1) монотрихи (V. сholerae) 2) амфитрихи (Spirillum volutans) 3) лофотрихи (Alcaligenes faecalis) 4) перитрихи (E. coli, Salmonella)

Жгутики

Физиология микроорганизмов

Химический состав бактериальной клетки Белки = 40 -80% (сухой массы) • Протеины – простые белки • Протеиды – сложносоставные белки (нуклеопротеиды, липопротеиды, гликопротеиды). Углеводы = 30 -50% - запасные полисахариды - компоненты гликопротеидов и сложных липидов - пептидогликан - сигнальные, в т. ч. поверхностные молекулы Липиды = 1, 7 – 40% - фосфолипиды, липопротеиды и липополисахариды - запасные вещества - защитные молекулы (миколовые кислоты) - сигнальные молекулы

Питание бактерий Метаболизм = катаболизм (дессимиляция) + анаболизм (ассимиляция) 1. 2. 3. Поступление в клетку питательных веществ Обеспечение клетки энергией (Ē) и электронами (ē) Обеспечение клетки веществом: C, H, O, N ; микроэлементы ; факторы роста По потреблению УГЛЕРОДА делятся на: Автотрофы – только СО 2 Гетеротрофы – органика • Сапрофиты • Паразиты Источник Ē Донор ē Источник С Ф Л А По усвоению АЗОТА: Х О Г 1. Ассимилируют из воздуха 2. Ассимилируют из нитрата 3. Ассимилируют из аммонийных солей 4. Ассимилируют из аммонийных солей в присутствии аминокислот и пуринов 5. Ассимилируют в присутствии факторов роста 6. Нуждаются в сложных питательных средах

Ферменты бактерий • Эндоферменты и экзоферменты • Конститутивные (существуют и в отсутствии субстрата) • Индуцибельные (образуются при наличии субстрата) Классы ферментов • Оксидоредуктазы (окислительно-восстановительные); • Трансферазы (перенос радикалов и атомов); • Гидролазы (расщепляют вещества на более простые с присоединением воды); • Лиазы (отщепляют от субстратов химические группы, не используя воду); • Изомеразы (превращают субстрат в изомеры); • Лигазы-синтетазы (ускоряют синтез сложных соединений).

Механизмы питания 1. Проникновение веществ: • Активный перенос (концентрация веществ в клетке выше, чем в • • • окружающей среде) – расход энергии (АТФ); Пассивная диффузия (концентрация веществ в окружающей среде выше, чем в клетке) – энергия не расходуется; Облегченная диффузия – энергия не расходуется; Транслокация радикалов – участвуют ферменты пермеазы 2. Выделение веществ: • Пассивная диффузия • Облегченная диффузия

Механизмы транспорта веществ в клетку Наружная среда Простая Диффузия Мембрана Внутренняя среда П Облегчённая диффузия П Энергизованный источник П Активный транспорт Энергия П HPr~P Транслокация радикалов П HPr ФЕП Фермент П --P Пируват

Катаболизм бактерий 1. Аэробный тип – дыхание. • • Полное разложение органики до СО 2 и Н 2 О Простота выращивания Высокая энергоэффективность и скорость роста Необходимость аэрирования 2. Анаэробный тип – брожение и анаэробное дыхание. • Неполное разложение органики при многих вариантах брожения – Выделение в среду кислот, спиртов, кетонов и других продуктов • Как правило, подавляется присутствием О 2 • Низкая скорость роста и энергоэффективность • Необходимость соблюдать строго анаэробную технологию культивирования

Отношение к О 2 В зависимости от потребностей в кислороде бактерии делятся на: • Облигатные аэробы – только в присутствии О 2 – Mycobacterium tuberculosis, Micrococcus luteus • Микроаэрофилы – при концентации О 2 ниже атмосферного – Campylobacter sp. , Streptococcus salivarius • Факультативные анаэробы – как при О 2, так и без него – E. coli, Vibrio cholerae, Corynebacterium diphtheriae, Salmonella typhi, и. т. д. • Аэротолеранты – могут расти при О 2, но не используют его – Streptococcus pyogenes, S. lactis • Облигатные (строгие) анаэробы – при О 2 растут плохо или гибнут – Clostridium botulinum, C. tetani

Рост и размножение микробов «Рост – это координированное воспроизведение всех клеточных компонентов и структур, ведущее в конечном итоге к увеличению массы клетки» . • По достижению определенного возраста клетка микроба начинает делиться, переходит к размножению. • У одноклеточных организмов размножение ведет к увеличению числа индивидуумов, составляющих популяцию или культуру. • Бактерии размножаются путем простого (чаще бинарного) деления. Средняя скорость деления – 20 -30 минут. • Кишечная палочка – 16 -20 мин. ; стрептококк и клостридии – 15 мин. ; S. typhi – 24 мин. ; шигеллы – 35 мин. ; микобактерии – 24 часа. • Прокариоты делятся в 100 раз быстрее, чем эукариотическая клетка.

Фазы роста I. Начальная фаза (лаг-фаза) (2 – 5 часов) II. Фаза ускоренного роста III. Экспоненциальная фаза (лог-фаза) - постоянная, максимальная скорость роста IV. Фаза замедленного роста V. Стационарная фаза VI. Фаза отмирания

Генетика бактерий

Генетический материал бактерий • Бактериальный геном состоит из генетических элементов, способных к самостоятельной репликации - репликонов • Репликонами являются бактериальные хромосомы и плазмиды (внехромосомная ДНК) • Подвижные генетические элементы (ISэлементы, транспозоны) – к самостоятельной репликации не способны

Хромосома • Бактериальная хромосома представлена одной двухцепочечной молекулой ДНК кольцевой формы • Бактериальная хромосома формирует компактный нуклеоид бактериальной клетки • Размеры хромосом – 3, 2 х106 н. п. • Кодирует жизненно важные для бактерии функции

Фенотип бактерии • • • Форма бактерии Структурные элементы Естественная резистентность Образование протеолитических ферментов Утилизация субстратов Способность адгезироваться на поверхности клеток хозяина Пенетрация Инвазия Колонизация тканей хозяина

Плазмида • Двухцепочечные молекулы ДНК • Размеры плазмид – от 103 до 106 н. п. • В основном кодируют функции, придающие бактерии преимущество в случае попадания в неблагоприятные условия l l Устойчивость к антибиотикам Образование колицинов Продукция факторов патогенности Синтез антибиотических веществ

Подвижные генетические элементы Вставочные (инсерционные) последовательности IS-элементы • Участки ДНК, способные как целое перемещаться из одного участка репликона в другой Содержат только гены для собственного перемещения Транспозоны • Обладают теми же свойствами, что и IS-элементы, но содержат структурные гены, обеспечивающие синтез молекул, обладающих биологическими свойствами Инактивация генов тех участков, куда они встраиваются Образование повреждений генетического материала Слияние репликонов, т. е. встраивание плазмиды в хромосому Антибиотикоустойчивость, токсинообразование

Зависимость фенотипа от генотипа бактерий энтерогруппы Хромосомные гены Основные гены метаболизма Пили адгезии Гиалуронидаза Нейраминидаза Антифагоцитарн ые свойства Антикомплемента рные свойства Токсинообра зование Гены плазмид Адгезия E. coli Вещества для пенетрации шигелл Токсинообразова ние Синтез бактериоцинов (вибриоцины, колицины, стафилоцины и др. ) Гидролиз мочевины урологичским штаммом E. coli Образование пилей для конъюгации Резистентность к антибиотикам Токсинообразова ние Гены транспозонов Синтез токсинов Синтез ферментов, разрушающих или изменяющих антибиотики Мутагенные факторы (способность к транспозиции) IS-элементы Мутагенные факторы Активация и инактивация генов

Размножение бактерий - бинарное деление Место прикрепления ДНК к мембране Расхождение хромосом Частично реплицированная ДНК Формирование мембран дочерних клеток Две ДНК (хромосомы) Дочерние клетки

Бактерии размножаются делением. В связи с их гаплоидностью мутации проявляются в том поколении, в котором возникают, и передаются в следующее поколение при делении (вертикальный перенос). Стрептомицинустойчивая клетка Стрептокок в стадии деления Среда содержит стрептомицин Стрептомицинчувствительные клетки Среда не содержит стрептомицин

Формы изменчивости бактерий • Мутации Все возможные типы мутаций под действием химических, физических и биологических мутагенов • Рекомбинации

Способы рекомбинации бактерий • Генетическая рекомбинация – взаимодействие между двумя геномами, т. е. между двумя ДНК, обладающими различными генотипами, которое приводит к образованию рекомбинантной ДНК, т. е. формированию дочернего генома, сочетающего гены обоих родителей • • • Конъюгация Трансдукция Трансформация

КОНЪЮГАЦИЯ пили Клетка - донор хромосома КОНЪЮГАЦИ ЯКК Плазмида - F-фактор Перенос ДНК плазмиды после репликации Клеткареципиент

бактериофаг ДНК фага ТРАНСДУКЦИЯ ДНК бактериидонора неспецифическая Переносятся любые гены, захваченные бактериофагом специфическая Переносятся определенне гены, вблизи которых встраивался умеренный бактериофаг в реципиентной клетке ЛИЗОГЕННАЯ КОНВЕРСИЯ ДНК бактериидонора ДНК бактерииреципиента ДНК бактериидонора

ТРАНСФОРМАЦИЯ Трансформация - поступление свободной ДНК (после разрушения клетки - донора) в клетку - реципиент с помощью специальных мембранных белков - переносчиков, интеграция поглощенной ДНК в хромосому (за счет рекомбинации) и изменение свойств клетки-реципиента. Трансформированная клетка-реципиент, устойчивая к стрептомицину Клетка - реципиент чувствительная к стрептомицину Хромосома клетки реципиента ДНК разрушенной клетки-донора, устойчивой к стрептомицину Поглощение чужой ДНК Интеграция поглощенной ДНК в хромосому